(zveřejněno: 14-05-2017)

Tepelné čerpadlo (TČ) je zařízení, které dokáže využít přírodní teplo obsažené ve vodě, vzduchu a v zemi. Zjednodušeně řečeno, je toto tzv. nízkopotenciální teplo, které je považováno za obnovitelné, prostřednictvím tepelného čerpadla převedeno na vyšší teplotu a jako takové je již dále využitelné pro ohřev teplé vody a pro vytápění. Nespornou výhodou TČ je, že takto získaná energie nemá negativní vliv na životní prostředí.

Historický vývoj

Myšlenka tepelného čerpadla vznikla již v devatenáctém století, neboli ve století páry. V roce 1852 ji poprvé formuloval lord Kelvin (William Thompson) (1824 1907) a to tak, že lze použít „obráceně fungujícího tepelného motoru nejen k chlazení, ale i k ohřívání“. Lord Kelvin působil více jak 50 let jako profesor přírodních věd na Glasgowské universitě. Za svůj život publikoval nesčetné množství odborných prací a řadu vynálezů a patentů hlavně v oblasti elekrotechniky a tepla.

První průmyslová aplikace TČ se však objevila až po více jak 70 letech v Americe. V roce 1927 bylo TČ použito k výtápění budovy úřadu v Los Angeles. K velkému rozmachu TČ pak došlo v průběnu II. světové války ve Švýcarsku, odkázenému převážně na dovoz veškerých paliv.

Druhá a tentokrát celosvětová vlna rozmachu TČ proběhla v období tzv. světové energetické krize v osmdesátých letech minulého století. V ČR nastalo masivní využití TČ až spolu s propagací dalších OZE na přelomu tisíciletí a zejména pak s nástupem dotační politiky OZE.

V současné době je pořízení tepelného čerpadla podporováno v rámci dotačního titulu Nová zelená úsporám. Pro letošní rok, při současné žádosti o dotaci na zateplení objektu a výměnu zdroje, činí maximální výše dotace na tepelné čerpadlo vzduch/voda 75 000 Kč. Na tepelné čerpadlo se systémem země/voda nebo voda/voda je možné získat dotaci přes 100 000 Kč. Pro získání dotace je však třeba dodržet podmínku, že měrná potřeba tepla na vytápění je maximálně rovna 150 kWh/m² za rok. Dále je možno žádat o podporu v rámci tzv. Kotlíkových dotací.

Princip tepelného čerpadla

Hlavní druhy tepelných čerpadel

Tepelná čerpadla dělíme zejména podle zdroje nízkopotenciálního tepla (NPT). Dobré navržení zdrojů NPT je základem pro bezchybný a ekonomický provoz TČ.

>>> Tepelná čerpadla typu vzduch - voda, popř. vzduch – vzduch, jsou investičně nejméně náročné. Jako zdroje NPT využívají venkovní vzduch a jelikož jeho teploty jsou nejvíce závislé na ročním období, tvoří samostatnou skupinu TČ. Protože vzduch obsahuje v chladných měsících roku jen malé množství tepla, prochází výměníkem tepla velké objemy vzduchu, což vyžaduje výkonný ventilátor. Ten je zdrojem určitého hluku, což může být v některých případech limitujícím faktorem pro umístění takového zařízení. Pro vylepšení účinnosti tohoto typu TČ lze využít k předehřevu venkovního vzduchu tzv. odpadního tepla odváděného větracím systémem z vytápěného objektu.

>>> Tepelná čerpadla typu země - voda využívají teploty půdy prostřednictvím půdních kolektorů, které jsou vertikálního nebo horizontálního provedení. Ve svislých vrtech je teplo jímáno uloženým potrubím, kde proudí teplonosné médium. Zpravidla je třeba provést několik vrtů, které se po založení potrubí opět zaplní, aby došlo k trvalému a kompaktnímu spojení kolektoru s okolní horninou. Výhodou vertikálních vrtů je stálost teploty zeminy a tím i vyrovnanější hodnoty topného výkonu. Při horizontálním ukládání je potřebná větší plocha pozemku, která je tímto prakticky znehodnocena. Horizontální jímače také pracují s nižší teplotou teplonosného media než vrty, když teplota zeminy je přímo závislá na teplotě vzduchu.

>>> Tepelná čerpadla typu voda – voda předpokládají využívání podzemní, spodní či povrchové vody. Výhodou pozemních a spodních vod je jejich stálá teplota, která se pohybuje kolem 8 – 10°C, což je o cca 4°C vyšší než u systémů s podzemními kolektory. Systém je založen na čerpání vody z jímacího vrtu a vracení chlazené vody do jiného tzv. vsakovacího vrtu umístěného v dostatečné vzdálenosti (>10m] od jímacího vrtu. Limitujícím faktorem tohoto druhu TČ je dostatečné množství vody, jejíž potřeba závisí na výkonu TČ a také její chemické složení.

Topný faktor (COP)

Z hlediska energetického hodnocení provozu tepelného čerpadla má největší význam topný faktor TČ. Energetická účinnost je velmi závislá na výparné a kondenzační teplotě. Topný faktor je dán jako poměr energií z tepelného čerpadla odvedené a přivedené. Vyjadřuje tedy, kolikrát více energie získáme, než ve formě poháněcí energie přivedeme.

Účinnost tepelného čerpadla vychází ze vztahu:

COP = P_te / P_p

Topný faktor může vyjadřovat poměr okamžitých energetických toků, poměr jejich průměrných ročních hodnot a poměr všech toků energie celého systému s tepelným čerpadlem.

Hodnoty okamžitých topných faktorů TČ se liší v závislosti na použitém zdroji NPT a na způsobu využití TČ. Pohybují se v rozmezích následujících hodnot:

>>> klasické teplovodní systémy 2,2 – 3,5

>>> nízkoteplotní otopné systémy 3,5 – 5,5

>>> využívání odpadního tepla pro přípravu TUV 3,0 – 7,0

Základní charakteristiky

Základními charakteristikami systému s tepelným čerpadlem jsou:

>>> maximální teplota topné vody

>>> vstupní teplota topné vody

>>> provoz kompresoru

>>> energetické parametry

>>> umístění TČ

Vzhledem k poměrně vysokým investičním nákladům je třeba věnovat dimenzování TČ patřičnou pozornost. Výchozími parametry pro dimenzování výkonu TČ jsou tepelná ztráta a bilance spotřeb energií. Z ekonomických důvodů se tepelná čerpadla dimenzují pro krytí určitého podílu tepelných ztrát. Systém s tepelným čerpadlem může být proveden jako monovalentní nebo bivalentní.

V monovalentním systému je tepelné čerpadlo hlavním a jediným zdrojem tepla. TČ musí být voleno tak, aby svým výkonem krylo tepelné ztráty i při nejnižší teplotě venkovního vzduchu. To má za následek, že výkon TČ je často předimenzován a během celé otopné sezóny jej nelze plně využit. Z důvodů vyšších ekonomických a energetických nákladů na tepelné čerpadlo jsou systémy v tomto zapojení poměrně málo využívány. Určitou výjimku tvoří tzv. nízkoteplotní topné systémy tvořené podlahovým vytápěním a velkoplošnými radiátory. Pracovní teploty těchto topných systémů se pohybují v pásmu 40 – 55°C a TČ může hradit až 100% tepelné potřeby objektu v průběhu celého roku.

Takzvaný bivalentní bod, což je v podstatě venkovní teplota při níž tepelné čerpadlo již ve většině otopných systémů nestačí se svým výkonem, je důležitým ukazatelem pro užití kombinace TČ a doplňkového zdroje tepla. Tepelný výkon tepelného čerpadla se v bivalentním systému obvykle navrhuje tak, aby TĆ krylo přibližně 60 - 70% tepelných ztrát vytápěné budovy. Zbylé potřebné teplo je dodáno pomocí druhého doplňkového zdroje. Tím může být např. plynový kotel, přímotop, solární systém atd.

Z výše uvedeného vyplývá, že pro provoz TČ je velmi důležitá volba otopné soustavy. Z ekonomického i energetického hlediska je využití tepelných čerpadel nejvýhodnější ve spojení s nízkoteplotními otopnými soustavami. V případě nevhodně zvoleného TČ, zejména v klasické topné soustavě s teplotním spádem 90/70 °C, může být jeho provoz poměrně nevýhodný a neekonomický.

Stanovení výkonu tepelného čerpadla

Výkon tepelného čerpadla je třeba stanovit tak, aby celková investice do TČ přinesla uživateli co největší efekt. Z ekonomických důvodů s přihlédnutím na volbu tzv. bivalentního bodu se TČ dimenzují pro krytí určitého podílu tepelných ztrát.

Tepelné čerpadlo v systému 90/70°C

Předpokládáme, že TČ je schopno dodávat teplo v topné vodě pouze při teplotách vody nižších jak 60°C. Vzhledem k uvažované lineární závislosti teploty topné vody na venkovní teplotě je možno zjednodušeně rozdělit výrobu tepla z jednotlivých zdrojů následovně:

>>> oblast provozu pouze TČ při venkovních teplotách nad 1,5°C - cca 58%

>>> oblast provozu TČ a doplňkového zdroje při teplotách od 1,5 do -6°C – cca 27%

>>> oblast provozu pouze doplňkového zdroje při teplotách pod -6°C – cca 15%

Rozdělení struktury výkonu je odvozeno pro bivalentní bod 1,5°C a výpočtovou venkovní teplotou -12 °C.

Q = Q_{skut *} (t_i-1,5)/(t_i-t_e)

Q _- maximální výkon tepelného čerpadla

Q_{skut -} skutečná tepelná ztráta objektu

t_{i -} vnitřní výpočtová teplota (obvykle 20°C)

t_{e -} venkovní teplota (-12,-15,-18°C)

Výroba tepla ve výše uvedeném případě kombinovaného systému je rozložena tak, že TČ dodává přibližně 58% tepla v monovalentním provozu a cca 13% tepla v provozu s doplňkovým zdrojem. Celkem TČ dodá okolo 70% tepla.

Závěrem

Vzhledem k poměrně vysoké investiční náročnosti systémů s tepelnými čerpadly je nutné zjištění skutečné spotřeby tepla a možnost minimalizace tepelných ztrát obytné budovy. Po stanovení těchto ukazatelů a zvážení možnosti využití dalších zdrojů energie je možno přistoupit k instalaci TČ. Pak lze správným dimenzováním TČ spolu s úspornými opatřeními dosáhnout významných úspor nákladů na vytápění oproti jiným zdrojům energie. (např. elektřina, plyn).

Použitá literatura a podklady:

Z. Dvořák, L. Klazar, J. Petrák – Tepelná čerpadla

EKIS ČEA – Vytápění tepelnými čerpadly

 GrexEnergia pomáhá s přípravou podkladů k dotačním programům